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WO2008135693A2 - Allumeur electrolytique pour moteur-fusee a ergols liquides - Google Patents

Allumeur electrolytique pour moteur-fusee a ergols liquides Download PDF

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Publication number
WO2008135693A2
WO2008135693A2 PCT/FR2008/050541 FR2008050541W WO2008135693A2 WO 2008135693 A2 WO2008135693 A2 WO 2008135693A2 FR 2008050541 W FR2008050541 W FR 2008050541W WO 2008135693 A2 WO2008135693 A2 WO 2008135693A2
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WO
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electrode
injector
electrolyte
torch according
injection device
Prior art date
Application number
PCT/FR2008/050541
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English (en)
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WO2008135693A3 (fr
Inventor
Dominique Valentian
Original Assignee
Snecma
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Filing date
Publication date
Application filed by Snecma filed Critical Snecma
Priority to US12/593,755 priority Critical patent/US8375697B2/en
Priority to EP08788067.0A priority patent/EP2132428B1/fr
Priority to JP2010501564A priority patent/JP4908628B2/ja
Publication of WO2008135693A2 publication Critical patent/WO2008135693A2/fr
Publication of WO2008135693A3 publication Critical patent/WO2008135693A3/fr

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44—Feeding propellants
    • F02K9/52—Injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/95—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by starting or ignition means or arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles

Definitions

  • the subject of the present invention is an electrolitic igniter for a rocket engine with liquid propellants, especially cryogenic propellants.
  • the invention thus relates more particularly to a torch igniter for a cryotechnic engine and an ignition torch incorporated in a liquid propellant rocket engine main injector.
  • the rocket engines powered by liquid propellants are generally ignited either by hypergic ignition or by pyrotechnic ignition, or by electric torch ignition.
  • Hypergolic ignition uses hypergic propellants, such as mono-methyl! hydrazine (MMH) and nitrogen peroxide (N 2 04) which are well known but have high toxicity and offer: a specific pulse practically limited to 330 seconds.
  • MMH mono-methyl! hydrazine
  • N 2 04 nitrogen peroxide
  • liquid oxygen / hydrocarbon rocket engines are ignited by injecting hypergic liquid with liquid oxygen, using for example an organometallic (as in the case of the engine).
  • hypergic ignition introduces an additional complication.
  • Some hypergic liquids with oxygen, such as organometallics are spontaneously combustible in air, toxic and cause contact burns. They pose: so security issues.
  • Non-hypergolic propellants for example liquid oxygen / liquid hydrogen or liquefied oxygen / hydrocarbon are usually ignited either by a pyrotechnic charge (motors
  • VULCAIN and HM 7 are cryogenic engines.
  • An electric light (spark plug) is also used on some cryogenic engines.
  • Torch igniters generally include a spark plug.
  • the high voltage used (10 to 20 kV) can create difficulties.
  • the torch or candle igniter has a decisive advantage For pyrotechnic ignition: The number of ignitions is practically unlimited.
  • a fourth solution, catalytic ignition, is used with exothermic decomposition monols (hydrazine, hydrogen peroxide) or gaseous mixtures (oxygen / hydrogen).
  • Hydrazine is a catalytically decomposing monergol which also has a high toxicity. . It does not seem to be used in an operational way for the ignition of cryogenic rocket engines.
  • Torch igniters for cryogenic engines are generally supplied with oxygen and hydrogen gas.
  • the spark plug must be carefully placed to produce the spark in an area where the gas mixture is likely to ignite, but not too close to the reactive zone, so as to survive the flame of the torch.
  • the spark plug generally on the axis of the injector, must not protrude too much into the combustion chamber. To circumvent this problem in ground testing, it is possible to use the focused light of a laser in the reactive gas mixture. The resulting spark can be located at the most favorable point of the flow.
  • this method is not easily transposable on an operational rocket engine, given the problems related to embedded laser technology, the holding of the optical fiber in the presence of vibrations, the holding of the entrance window. of the laser beam in the combustion chamber and the holding of the focusing optics.
  • a thyristor 1.90, or a power transistor, controlled by a control circuit 191 makes it possible to energize two coaxial electrodes 133, 130, bathed by propellant propellant (which in this case is glycerine made conductive by addition of sodium iodide), Under the effect of the voltage imposed by a capacitor 108, Joule heating of the electrolytic solution leads rapidly (in less than one millisecond) to the boiling and then to the formation of a discharge plasma in the channel surrounding the central electrode 133.
  • propellant propellant which in this case is glycerine made conductive by addition of sodium iodide
  • the instantaneous power can reach 20 kW for 10 mg of material.
  • a capacitor bank 181, 182, 183 main and the auxiliary capacitor 108 are charged by a single power supply circuit 107.
  • FIG. 4 shows in detail the central electrode 133 and the cathode 130 which determine an annular space 132 filled with liquid 131 by capillary action.
  • the central electrode 133 is connected to a conductor 134 connected to the thyristor 190.
  • the plasma of FIG. pre-discharge opens into the discharge chamber 125.
  • Electrolytic ignition was also proposed in the 1970s to achieve the decomposition of hydrazine.
  • No. 3,861,137 entitled “Electrolitic Igniter Monopropellant” describes a system using two porous electrodes and a ceramic felt forming the insulator between the two electrodes. The inter-electrode voltage is between 2 and 30 V. The resulting ignition of the combination of heating, the formation of ions by electrolysis and the catalytic action of a non-conductive layer of ruthenium on the insulator . Decomposition continues on grids placed downstream.
  • US Patent 3,651,644 entitled “Apparatus for initiating the decomposition of an exothermic propellant” describes a wall system coaxiaies extending the full length of a combustion chamber.
  • the monergol used is mainly hydrazine.
  • the interelectrode voltage is of the order of 28 V. Electrolysis is not expected to initiate a discharge. A thermal bed completes the decomposition. In the two cases mentioned above, the objective is: to increase the surface / thickness ratio, the resistivity of the hydrazine being high.
  • a more recent article (Characterization and electrical ignitlon of AON based iiquid monopropilants, Anders Larsson, Niklas Wingborg, Mattias Elfberg, Patrick Appeigren, May 2005 ISSN 1650.1942) describes: an experimental device for obtaining electrofyric ionization from a solution DNA.
  • the liquid is confined in a dielectric tube (D ⁇ 9 mm L ⁇ 25 mm). It is subjected to a voltage of 5,000 V supplied by a capacitor bank. The ignition is obtained in milliseconds.
  • the high tension is necessitated by the ratio of the length of the column of liquid.
  • the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and in particular to allow the realization of an igniter having more flexibility than a pyrotechnic igniter.
  • the object of the invention is to allow multiple readings which are absolutely necessary at least in the following cases:
  • attitude control of launcher satellites or planetary landing gear using non-toxic propellants such as oxygen or ethyl alcohol
  • the invention also aims to provide a lot of flexibility for the use of an igniter on a main stage of the launcher, particularly in the event of an aborted shot, so that no intervention on the igniter is needed before the next launch attempt and so the time saving is several days. It is another object of the invention to provide that the ignition device is such that the thruster does not have to undergo any modification between a reception test and the flight.
  • Another object of the invention is to provide a simplified construction aid which, in particular, does not pose any safety problems, does not require the use of a laser beam, and allows the reliable ignition of a control chamber. combustion, whatever the taly of it, with the provision of a very high instantaneous power,
  • an ignition torch incorporated in a liquid propellant main rocket injector, comprising a combustion chamber and an electrolytic igniter, which electrolytic igniter comprises a first electrode, a second electrode Electrically insulated from the first electrode by an insulator, an injector, an electrolyte reservoir, and an electrolyte delivery channel, characterized in that the injector constitutes the first electrode and includes a fuel injection device, a an oxidant injection device and an electrolyte injection device, in that the second electrode extends downstream beyond the injector, in that the electroiytic accumulator comprises an electrical supply circuit adapted to carry the second electrode at a potential between 50 and 1000 V relative to the potential of the first electrode and in that the electroiyte distribution channel opens out through at least one injection hole situated in the vicinity of the exit of the fuel injection device and the oxidizer injection device in such a way that the electrolyte injected by said injection hole injection constitutes a free jet striking the second electrode in an area outside the body of the injector
  • the electrical supply circuit is adapted to bring the second electroty to a potential of between 100 and 100.degree. 500 V with respect to the potential of the first electrode constituted by the injector,
  • the spark plug of an ignition torch is replaced by an electro-discharge ignition device.
  • the electrolyte present in the tank may be constituted by a product different from the fuel applied by the fuel injection device and / or oxidant applied by the oxidizer injection device.
  • the electric discharge producing the ignition of the ergos in the torch is located downstream of the injector and not inside it.
  • the electrolytic liquid is composed of a solvent such as water, alcohol or a low vapor pressure ionic liquid, a salt whose ionic dissociation provides ionic conduction, such as, for example, a salt of ammonium, and possibly an additive such as a fuel if Ie! is oxidizing or surfactant.
  • a solvent such as water, alcohol or a low vapor pressure ionic liquid
  • a salt whose ionic dissociation provides ionic conduction such as, for example, a salt of ammonium
  • an additive such as a fuel if Ie! is oxidizing or surfactant.
  • the salt can be chemically inert like sodium iodide or reactive as a nitrate.
  • the jets or electrolytic liquid are located downstream of the injector of the torch that produces the gas mixture to be ignited, which gas mixture may comprise a fuel such as hydrogen or methane and an oxidant such as oxygen. Ignition may occur in one or more of the following ways:
  • the invention makes it possible to recover most of the advantages of the Jaser ignition and in particular ie that the ignition zone can be located at a distance from the material walls, without having the abovementioned disadvantages related to the fragilities and complexities of the use. a device for producing and applying a laser beam.
  • the second electrode is centrally disposed and a plurality of electrolyte injection holes and the fuel injection device and fuel injection device outlets are disposed around this electrode. Central.
  • the second electrode is: disposed laterally and off-axis with respect to the injection hole of the electrolyte and the outlets to the fuel injection device and the oxidizer injection device.
  • the second electrode may be made of a refractory metal of the tungsten or tungsten-rhenium type.
  • the fuel injection device and the fuel injection device comprise orifices distributed in a ring around a predetermined axis of the igniter and several injection holes of the electrolyte are distributed in crown around the predetermined axis by having angular positions offset from the holes distributed in a ring.
  • the igniter may include an electric heater and passive thermal insulation to maintain the injector temperature above the freezing point of the electrolyte.
  • the power supply circuit may include a DC power source. at least one capacitor and a switch, such as a power transistor or a thyristor.
  • the injector constituting the first electrode advantageously has a potential close to the electrical mass.
  • the capacitor and the switch may be housed in a housing integral with the body of the light.
  • the power supply circuit may comprise a DC power source, at least one capacitor, a chopper circuit and a step-up transformer whose primary and secondary are gaivanically isolated, whose primary is connected to the chopper circuit and of which the secondary is connected between the second electrode and the injector constituting the first electrode.
  • the insulator comprises a first freely expandable insulator portion and a second insulator portion sealing between the second electrode and an insulator support.
  • the first insulator part comprises at least one ceramic biocer made of boron nitride or alumina.
  • the second insulator portion can be made of alumina and is brazed ⁇ ⁇ ur ⁇ e hand on! He second electrode and secondly on Ie insulator support.
  • the second insulator portion may further be combined with a coaxial cable hub receiving a coaxial cable connector.
  • the second insulator portion is made of a flexible material comprising one of the following materials: PTFE, PTFCE, VESPEL, PTFE loaded with glass fibers, and the second insulator part. is mounted in a cable gland mounted on the insulator support.
  • FIG. 1 is a diagrammatic view in axial section of FIG. an electrolytic igniter head with central anode according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a front view of the electrolytic igniter head according to claim 1;
  • FIG. 3 is a schematic view of the electrical circuit of a known electrolytically initiated plasma thruster,
  • FIG. 4 is a view in axial section of an example of a predischarge chamber in an electrothermal thruster according to the prior art,
  • FIG. 5 is a diagrammatic view in axial section of an electrolytic igniter head with off-center lateral anode, according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a diagrammatic view in axial section showing the integration of the igniter head of FIG. 5 into a torch and a main injector;
  • FIG. 7 is a front view of an ignition head; electroiy ⁇ que showing an alternative embodiment of Figure 2,
  • FIG. 8 is a diagrammatic view in axial section of an alternative embodiment of an electrolytic igniter head according to the invention with a two-part insulator
  • FIG. 9 is a schematic view in axial section of a variant embodiment of an electrolytic igniter head according to the invention with an insulator associated with a gland
  • FIG. 10 is a diagrammatic view in axial section of an alternative embodiment of an electrolytic igniter head according to the invention with a bent hermetic outlet,
  • FIG. 11 is a diagrammatic view in axial section of an alternative embodiment of an electrolytic igniter head with an incorporated electric power circuit
  • FIG. 12 is a schematic view of an electrolytic igniter head according to the invention with an electrical supply circuit incorporating a step-up transformer.
  • FIG. 1 there is shown a first example of an electrolytic igniter according to the invention designed to be incorporated in a torch associated with a main injector intended to be mounted on a rocket engine combustion chamber at liquid propellants.
  • the electrolytic igniter comprises an injector which, in the example under consideration, has a potential close to the electrical mass and constitutes a cathode.
  • the injector 2 typically comprises a fuel injection device 26 and an oxidant injection device 27.
  • the fuel injection device 26 and the oxidant injection device 27 respectively comprise a distribution cannula 2 ⁇ a, 27a and dispensing orifices 26b, 27b distributed in a ring around the nozzle. central axis XX ! of the igniter.
  • the injector 2 further comprises an electro-injection device with an electrolyte distribution channel 3 associated with a plurality of injection holes which allow the projection of free jets to a central electrode 5 which is isolated. electrically to the body of the injector 2 by an insulator 4,
  • the electrolyte distributor 3 is fed through an electromagnetic valve 11 from the reservoir 12 containing an electrolyte 13 which is advantageously constituted by a different product or fuel applied by the fuel injection device 26 and / or oxidant applied by the device 27 for injecting oxidizer.
  • the electro-injection injection nozzles 1 are distributed in a ring around the axis XX 'with angular positions that are offset relative to the orifices distributed in the ring of the injection device 26. fuel and or oxidizer injection device 27. As can be seen in FIG.
  • channels 32 may be formed in the body of the injector 2 between the electrolytic distribution duct 3 and the fuel and oxidizer injection devices 26 in order to constitute a passive thermal insulation and thus ensure thermal decoupling.
  • An electric heater 16, such as a resistor, may be advantageously placed on the injector 2 in the vicinity of the electrolyte distribution channel 3 in order to maintain the temperature of the injector 2 above the freezing point. of the electrolyte during the cold setting of the cryogenic rocket engine.
  • FIG. 1 there is shown diagrammatically a power supply circuit with a power supply source 7. Direct current from a bar 10. The negative pole of the power source 7 is connected to the body of the injector 2 which thus constitutes a cathode.
  • the positive pole of the power source 7 is connected via a switch 9 to the central electrode 5 forming anode.
  • a capacitor 8 is connected in parallel with the output of the power source 7 so as to allow the application of a potential of the order of a few hundred volts on the electrode 5. The discharge of the capacitor 8 allows obtain a very high instantaneous power.
  • the switch 9 can be constituted for example by a power transistor or by a thyristor.
  • the solenoid valve 11 controls the injection of the electrolyte jets.
  • this solenoid valve When this solenoid valve is open, the electrolyte jets from the injection holes 1 bring into contact the central anode electrode 5 and the body of the cathode injector 2.
  • the heating due to the electrolysis current causes the formation of an electric discharge which ignites the gas mixture 28 from the fuel injection and oxidizer devices 26, 27 and intended to supply the torch which in the example shown It is coaxial with the injector 2.
  • the reference 14 designates the flame precursors and the reference 29 designates the flame of the torch.
  • FIG. 2 shows an injector 2 with, by way of example, nine electrolyte injection holes 1, The number of injection holes is chosen as a function of the flow rate to be ensured.
  • FIG. 2 shows the injector before an ignition sequence and the right-hand part of this FIG. 2 shows the injector in operation with electrolyte jets.
  • electrolyte jets 6 from the injection holes 1 are located downstream of the injector 2 which produces the gas mixture to be ignited and strike the electrode 5 in an area outside the body of the the injector 2.
  • the electrolytic liquid 13 consists of a solvent which may be constituted by water, alcohol or an ionic liquid with a low vapor pressure, or an ion whose ionic dissociation provides the ionic conduction and optionally an additive (for example a fuel if the salt is oxidizing or surfactant).
  • electrolytic liquids By way of example of electrolytic liquids according to the present invention, mention may be made of:
  • glycerol sodium iodide and fluidizing additive, isopropyl alcohol and ammonium nitrate,
  • the ionic liquid may for example be chosen from the following products: di-ethylammonium formate, ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate.
  • solubie fuel such as an alcohol or TEAN (triethanolammonium nitrate).
  • the ignition of a self-decomposition of a nitrate monoxide ion solution can be obtained by electrolytic heating.
  • Aqueous solutions of nitrates have a significant ionic conductivity "C” which increases with temperature T (see document: “New nitrogen based monopropeils (HAN, AND, HNF), physical chemistry of concentrated ionic aqueous solutions", C
  • the jib arrangement 6 has a high resistance and makes it possible to operate at high voltage, of the order of several hundred volts. The heating takes place outside the injector. If the jet ignites before reaching the central electrode 5, the gases can freely relax in the combustion chamber.
  • Heating can result in the selective evaporation (distillation) of the most volatile species, for example an alcohol.
  • the alcohol vapor mixed with the air will facilitate the inflammation.
  • the temperature of the ergometer is 298 K at the exit of the injector
  • the initial power dissipated is 600 W (resistance ⁇ 410 Ohm). After 2 ms, the temperature profile of the jet begins to stabilize, the downstream part of the jet reaches 398 K (125 ° C).
  • the dissipated power reaches 1560 W and the resistance of the jet is 160 Ohm.
  • the thermal power provided by the exothermic decomposition at a rate of 16.5 g / s is greater than 50 kW.
  • the electrical power is provided by the capacitor 8 capable of storing at least twice the energy dissipated in the discharge.
  • the electrolysis current reaches 15.6 ⁇ , which can be controlled by a switch 9 consisting of a power transistor.
  • the capacitor 8 is charged - preferably at constant current - by a DC / DC converter 7 voltage booster powered by the bar 10 (bus) of the satellite or missile on which is placed the rocket engine equipped with the electroiytic igniter.
  • the injection of monergoi is controlled by the beachvanne il, the powering up being simultaneous (there will be no passage of current before 5 to 10 ms, time of response of the bmwvanne).
  • the passage of the current can be interrupted by closing the switch 9 constituted by a power transistor or a thyristor.
  • the interruption of the current causes the closing of the solenoid valve Ii and therefore the interruption of the liquid jet
  • the energy may be stored in a fast-discharge battery.
  • the ignition taking place in a liquid ii is insensitive to pressure: the igniter can operate as well under vacuum (boiling or liquid is not immediate) that under pressure (from atmospheric pressure to several MPa). It can also work in altitude simulation (a few hundred pascals). On the contrary, igniters with spark plug and electric spark can be disturbed by an operating pressure different from the space vacuum or the atmospheric pressure:
  • the electrolytic igniter uses a modest voltage, of the order of 500 V which simplifies the problems of isolation especially in the pressure zone corresponding to the altitude simulation operation.
  • the jet can be positioned to reach the area where the richness of the mixture is most likely to sustain combustion. From this point of view it has advantages similar to laser ignition while being easier to achieve,
  • FIG 12 there is shown an alternative embodiment seion which electrolysis is conducted in alternating current.
  • a source of direct current such as the satellite or missile bar 10 on which the rocket engine equipped with the electro-magnetic igniter is placed
  • the energy is stored in supercapacitors 8 or in a battery.
  • accumulators which supply a chopper 91 consisting of power transistors (for example IGBTs) capable of controlling a current of 100 A or more at a frequency of between 10 and 100 kHz and a step-up transformer 92, preferably with ferrite, whose the secondary supply directly supplies the electrolytic igniter, between the first electrode constituted by the body of the injector 2 and the second electrode constituted by the electrode 5,
  • the second electrode 105 (forming anode in the case of a DC power supply) is not placed in a central position, but is located laterally and
  • the electrolyte distribution channel 103 is disposed on a first side of the igniter (at the top in FIGS. 5 and 6). ), on the outside of the fuel injection and oxidizer injection devices 26 and 27, while the electrode 105 is placed in a recess 102 formed in the opposite wall (bottom in FIGS. 5 and 6).
  • At least one injection hole 101 is formed from the distribution channel 103 in the body of the injector 2 so as to create at least one transverse jet 101 which strikes the electrode 105 and presents the same properties as in the case of the embodiment previously described, the electrical circuit illustrated in FIG. 1 or FIG. 12 being able to be implemented in the same manner with the embodiment of FIGS. 5 and 8 and the electrolytic liquid being also chosen from among your products mentioned above.
  • the dissipation of electrical power by ionic conduction in the jet éiectroiyte causes a sufficient temperature rise, for example 5000-20 00o o C / s, to cause electrical breakdown of the electrolyte or its spontaneous decomposition if the electroiyte is a mcnergoi, the gaseous mixture 28 from the devices 26, 27 for injecting fuel and oxidant (which in the example shown are of the coaxial type) being ignited by the flame precursor or combustion gas 14 in the torch 17.
  • the torch 17 is itself incorporated in the main engine 33 to the rocket engine and located in the axis thereof.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of an electrolytic igniter according to the invention with a central electrode 5.
  • the fuel injection device 26 and the oxidant injection device 27 comprise a series of orifices constituting decayed doublets. angularly relative to the liquid jets from the injection holes 1 of the electrolyte liquid, so as to limit the blowing of the jets of liquid by the gas jets.
  • FIG. 7 shows on its left half the injector 2 before an ignition sequence and on its right half the injector 2 during an ignition sequence with the electrolyte jets 6.
  • FIGS. 8 to 11 illustrate particular embodiments of the insulator interposed between the central electrode 5 forming the second electrode and the body of the injector 2 forming the first electrode. As in the case of FIG. 12, for the sake of simplification, FIGS. 7 to 11 do not show the injection device 15 of FIG. torch comprising the fuel injection device 26 and the oxidant injection device 27.
  • the power supply circuit which may be similar to those described with reference to FIGS. 1 and 12, or the elements associated with the electrolytic liquid distributor 3 such as FIG. solenoid valve 11, ie tank 18, electrical resistance 16 and thermal decoupling 32 illustrated in FIG.
  • Figure 8 shows an electrical isolator made in two parts.
  • the downstream portion 41 facing the combustion chamber is a ceramic block mounted with a mechanical play so as to be able to expand freely.
  • the upstream portion 42 seals. It is brazed on the insulator support 19 and on central electrode 5.
  • the assembly makes it possible to solicit the insulator 41, 42 in compression (in front of a background effect and at the combustion pressure),
  • the downstream portion 41 may be made of boron nitride or alumina while the upstream portion 42 may be alumina.
  • FIG. 8 reference numeral 20 denotes an electrical connection.
  • Figure 9 shows an electrical insulator with a gland
  • the downstream portion 41 of the electrical insulator acts as a firewall and can be made analogously to the downstream portion 41 of the embodiment of FIG. 8.
  • the sealing and the maintenance of the central electrode 5 are provided by a gland composed of a flexible isolator 42b located near the downstream portion 41, a washer 42a insulating thrust and a nut 23 which is screwed onto a rear portion 19a of the injector 2.
  • the flexible isolator 42b may be made of PTFE, PTFCE or PTFE loaded with glass fibers or of a similar material such as for example the product of the company DuPont known under the name VESPEl®,
  • Figure 10 shows a multi-part electrical insulator which aims to have a minimum footprint.
  • downstream portion of the insulator is itself divided into two or three portions 41a, 41b, 41c.
  • the upstream portion 42 of the insulator is made bent. Elijah can be mounted and held in place by a metal shutter 51 screwed or welded to the rear part of the injector 2.
  • the power supply cable 24 of the central electrode 5 can be connected to a coaxial cable 25 by a connecting element 53 associated with a base 52 attached to the metal shutter 5t.
  • FIGS. 9 and 10 make it possible to minimize the electromagnetic interference caused by the discharge current.
  • FIG. 11 shows an example of an electrolytic igniter with a power circuit incorporated in a casing 50 attached to the body of the injector 2.
  • the electrical insulator can be made of two parts 41, 42, as in the case of the realization of Figure 8.
  • the capacitor 8 and the power transistor 9 forming a switch are incorporated in the casing 50.
  • the connection 20 with the central electrode 5 can be made in the form of a printed circuit supporting the power transistor 9. The electrical connections are thus reduced to low power cables 24 which are light and can withstand small radii of curvature.
  • the central electrode 5 or the remote electrode 105 may be made of refractory metal of the tungsten or tungsten / rhenium type.

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

L'allumeur électrolytique comprend un injecteur (2) constituant une première électrode et incluant un dispositif (26) d'injection de combustible, un dispositif (27) d'injection de comburant et un dispositif ( 1 ) d'injection d'électrolyte, une deuxième électrode (5) ιsolée électriquement de l'injecteur (2) par un isolateur (4) et s'etendant en aval au-delà de l'injecteur (2), un réservoir ( 12) d'électrolyte, une électrovanne ( 11) interposée entre le réservoir (l?) et un canal [S) de distribution d'électrolyte débouchant sous la forme de jets libres à travers le dispositif d'injection d'électrolyte constitué par au moins un trou d'injection ( I ) situé au voisinage de la sortie du dispositif (26) d'injection de combustible et du dispositif (27) d'injection de comburant, et un circuit d'alimentation électrique adapté pour porter la deuxième l'électrode ( 5) à un potentiel compris entre 50 et 1000 V par rapport au potentiel de la premiere electrode. L'électrolyte injecte par le trou d'injection (1) est à même de provoquer l'inflammation d'un mélange gazeux formé à la sortie du dispositif (26) d'injection de combustible et ou dispositif (?7) d'injection de comburant dans une chambre de combustion d'une torche d'allumage incorporable dans un injecteur pricipal de moteur - fusée.

Description

Allumeur électrolytique pour moteur-fusée à ergols liquides
Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un allumeur électrolitique pour moteur-fusée à ergols liquides, notamment cryogéniques.
L'invention concerne ainsi plus particulièrement un allumeur à torche pour moteur cryotechniqυe et une torche d'allumage incorporabie dans un injecteur principal de moteur-fusée à ergols liquides
Art antérieur
Les moteurs-fusées alimentés par ergols liquides sont généralement allumés soit par allumage hypergoiique soit par allumage pyrotechnique, soit par allumage éiectrique à torche. L'allumage hypergoîique fait appel à des ergols hypergoiiques, tels que le mono-méthy! hydrazine (MMH) et le peroxyde d'azote (N204 qui sont bien connus, mais présentent une toxicité élevée et offrent: une impulsion spécifique pratiquement: limitée à 330 secondes.
Quelques moteurs-fusées oxygène liquide/hydrocarbure sont allumés par injection de liquide hypergoiique avec l'oxygène liquide, en utilisant par exemple un organométaîiique (comme dans le cas du moteur
R.O-180 de la société russe NPO Energomash).
Toutefois, l'allumage hypergoiique introduit une complication supplémentaire, Certains liquides hypergoiiques avec l'oxygène, comme les organométalliques, sont spontanément combustibles dans Pair, toxiques et causent des brûlures par contact. Ils posent: donc des problèmes de sécurité.
Les combinaisons d'ergols non hypergoliques, par exemple oxygène liquide/hydrogène liquide ou oxygène iiqulde/hydrocarbure sont généralement allumées soit par une charge pyrotechnique (moteurs
VULCAIN et HM 7), soit par une torche (moteur VINCÎ). Un aiiumeur éiectrique (bougie) est aussi utilisé sur certains moteurs cryotechniques.
Les allumeurs à torche comprennent en général une bougie d'allumage.
Dans les deux cas, la haute tension utilisée (10 à 20 kV) peut créer des difficultés. L'allumeur à torche ou à bougie présente un avantage décisif zur l'allumage pyrotechnique : !e nombre d'allumages est pratiquement illimité.
Une quatrième solution, l'allumage catalytique, est utilisée avec des monergols à décomposition exothermique (hydrazine, peroxyde d'hydrogène) ou des mélanges gazeux (oxygène/hydrogène), L'hydrazine est un monergol à décomposition catalytique qui présente aussi une toxicité élevée. Il ne semble pas être utilisé d'une manière opérationnelle pour l'allumage des moteurs-fusées cryotechniques.
Les allumeurs à torche pour moteurs cryotechniques sont généralement alimentés en oxygène et hydrogène gazeux. La bougie doit être judicieusement placée pour produire l'étincelle dans une zone où le mélange de gaz est susceptible de s'allumer, mais pas trop près de la zone réactive, de manière à survivre à la flamme de la torche.
Le même problème se pose pour des propulseurs de plus petite taille, allumés directement par une bougie. C'est le cas des propulseurs de contrôle d'attitude oxygène liquide/combustible. Des propulseurs de ce type ont été utilisés sur la Navette BOURANE.
La bougie, généralement sur l'axe de l'injecteur, ne doit pas trop faire saillie dans la chambre de combustion. Pour contourner ce problème en essai au sol, il est possible d'utiliser la lumière focalisée d'un laser dans le mélange de gaz réactif. L'étincelle résultante peut être située au point le plus favorable de l'écoulement.
Cependant, cette méthode n'est pas facilement transposable sur un moteur-fusée opérationnel, compte tenu des problèmes liés à la technologie du laser embarqué, à la tenue de la fibre optique en présence de vibrations, à la tenue de la fenêtre d'entrée du faisceau laser dans la chambre de combustion et à la tenue de l'optique de focalisation.
Dans le domaine des propulseurs à plasma puisé, l'allumage par bougie est aussi utilisé.
Il existe cependant également un autre procédé qui consiste à chauffer rapidement l'ergol propulsif par voie électrolytique. Un tel procédé est décrit par exemple dans le brevet français n° 1 598 903 relatif à un propulseur électrothermique et à son dispositif d'alimentation. La Figure 3 montre le schéma de principe du circuit électrique d'un tel propulseur à plasma à amorçage électrolytique. Un thyristor 1.90, ou un transistor de puissance, commandé par un circuit de commande 191, permet de mettre sous tension deux électrodes 133, 130 coaxiales, baignées par l'ergol propulsif (qui en l'espèce est de la glycérine rendue conductrice par addition d'iodure de sodium), Sous l'effet de la tension imposée par un condensateur 108, réchauffement par effet Joule de la solution électrolytique conduit rapidement (en moins d'une milliseconde) à l'ébullition puis à la formation d'une décharge plasma dans ie canal qui entoure l'électrode centrale 133.
Pour un courant maximum de 50 A et une tension de 400 V, la puissance instantanée peut atteindre 20 kW pour 10 mg de matière.
Pour atteindre une enthalpie de 1 MJ/kg, où l'ergol propulsif est déjà volatilisé, il suffit de 50 μs. Cette décharge amorce à son tour Ia décharge principale dans une chambre d'ionisation 125 entourée d'une gaine isolante 126 prolongée par une tuyère 127 qui constitue également l'anode de la chambre d'arc. La puissance instantanée atteint 1 MW et l'énergie (300 J) est suffisante pour former une enthalpie moyenne de 30 Ml/kg.
Une batterie de condensateurs 181, 182, 183 principale et ie condensateur auxiliaire 108 sont chargés par un circuit d'alimentation 107 unique.
La Figure 4 montre en vue de détail l'électrode centrale 133 et la cathode 130 qui déterminent un espace annulaire 132 rempli de liquide 131 par effet capillaire, L'électrode centrale 133 est reliée à un conducteur 134 connecté au thyristor 190. Le plasma de pré-décharge débouche dans la chambre de décharge 125.
L'allumage électrolytique a été aussi proposé dans les années 70 pour réaliser Ia décomposition de l'hydrazine. Le brevet US 3 861 137 intitulé "Monopropellant electrolitic igniter" décrit un système utilisant deux électrodes poreuses et un feutre céramique constituant l'isolant entre les deux électrodes. La tension inter-électrodes est comprise entre 2 et 30 V. L'allumage résuite de la combinaison de réchauffement, de la formation d'ions par électrolyse et de l'action catalytique d'une couche non-conductrice de ruthénium sur l'isolant. La décomposition se poursuit sur des grilles placées en aval. Le brevet US 3 651 644 intitulé "Apparatus for initiating the décomposition of an exothermic propellant" décrit un système de parois coaxiaies s'étendant sur toute la longueur d'une chambre de combustion. Le monergol utilisé est principalement de l'hydrazine. La tension interélectrodes est de l'ordre de 28 V. ïl n'est pas prévu que l'électrolyse puisse initier une décharge. Un lit thermique parachève la décomposition. Dans les deux cas précités, l'objectif visé est: d'augmenter le rapport surface/épaisseur, la résistivité de î'hydrazine étant élevée.
Un article plus récent (Characterisation and electrical ignitlon of AON based iiquid monopropeilants. Anders Larsson, Niklas Wingborg, Mattias Elfberg, Patrick Appeigren, May 2005« ISSN 1650.1942) décrit: un dispositif expérimental permettant d'obtenir i'aiiumage éiectrofytique ϋ'une solution d'ADN. Le liquide est confiné dans un tube diélectrique (D ≈ 9 mm L ~ 25 mm). Il est soumis à une tension de 5 000 V fournie par une batterie de condensateurs, L'ailumage est obtenu en quelques millisecondes. La tension éievée est rendue nécessaire par le rapport iongueur/section de la colonne de liquide.
On connaît encore par le brevet US 6084 198 un dispositif d'amorçage de la décharge d'un propulseur MPD (magnéto-plasma dynamique) qui utilise une électrode auxiliaire en relation avec un milieu gazeux basse pression de décharge d'amorçage.
Objet et description succincte de l'invention
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à permettre la réalisation d'un allumeur présentant plus de souplesse d'utilisation qu'un allumeur pyrotechnique. En particulier, l'invention vise à permettre des aiîumages multiples qui sont absolument nécessaires au moins dans les cas suivants :
- étage supérieur réaliumabie,
- contrôle d'attitude de satellites de lanceurs ou d'atterrisseurs planétaires utilisant des ergols non toxiques comme Poxygène ou l'alcool éthylique,
- atterrissage avec rétrofusées fonctionnant en mode puisé pour mission planétaire (propulsion principale utilisant des ergois non toxiques).
L'invention vise également à apporter beaucoup de souplesse pour i'utiϋsation d'un allumeur sur un étage principal de lanceur, notamment en cas de tir avorté, de telle sorte qu'aucune intervention sur l'allumeur ne soit nécessaire avant la tentative de lancement suivante et qu'ainsi ie gain de temps soit de plusieurs jours. l'invention vise encore à permettre que ie dispositif d'allumage soit tel que Ie propulseur ne doive subir aucune modification entre un essai de réception et !e vol.
L'invention a encore pour objet de proposer un aiiumeur de construction simplifiée et qui en particulier ne pose pas de problèmes de sécurité, n'exige pas l'utilisation d'un faisceau laser, et autorise l'allumage fiable ô'une chambre de combustion, quelle que soit la taliie de celle-ci, avec la fourniture d'une puissance instantanée très éievée,
Ces buts sont atteints conformément à l'invention grâce à une torche d'allumage incorporabie dans un injecteur principal de moteur- fusée à ergols liquides, comprenant une chambre de combustion et un allumeur éiectrolytique, lequel allumeur éiectrolytique comprend une première électrode, une deuxième électrode Isolée électriquement de la première électrode par un isolateur, un injecteur, un réservoir d'éiεctroivte, et un canal de distribution d'éîectrolyte, caractérisé en ce que i'injecteur constitue la première électrode et inclut un dispositif d'injection de combustible, un dispositif d'injection de comburant et un dispositif d'injection d'électroiyte, en ce que la deuxième électrode s'étend en aval au-delà de i'injecteur, en ce que Paliumeur électroiytique comprend un circuit d'aiimentation électrique adapté pour porter la deuxième électrode à un potentiel compris entre 50 et 1000 V par rapport au potentiel de Ia première électrode et en ce que le canal de distribution d'électroiyte débouche par au moins un trou d'injection situé au voisinage de !a sortie du dispositif d'injection de combustible et du dispositif d'injection de comburant de telle manière que i'éiectroîyte injecté par iedit trou d'injection constitue un jet libre venant frapper la deuxième électrode dans une zone située en dehors du corps de I'injecteur constitué par la première électrode, de sorte que i'éiectroiyse et l'inflammation d'un mélange gazeux ont lieu en aval de I'injecteur dans la chambre de combustion de la torche.
De préférence, ie circuit: d'aiimentation électrique est adapté pour porter la deuxième éiectrotie à un potentiel compris entre 100 et 500 V par rapport au potentiel de la première électrode constituée par l'injecteur,
Seion la présente invention, Ia bougie d'une torche d'allumage est remplacée par un dispositif d'allumage à décharge électroiytiqυe. Selon i'învention, i'éiectrolyte présent clans le réservoir peut être constitué par un produit différent du combustible appliqué par le dispositif d'injection de combustible et ou comburant appliqué par le dispositif d'injection de comburant
Par ailleurs, seion l'invention, la décharge électrique produisant l'aiiumage des ergois dans Ia torche, est située en aval de i'injecteur et non à l'intérieur de celui-ci.
Le liquide électrolytique est constitué ô'un solvant tel que de l'eau, de l'alcool ou un liquide ionique à faible tension de vapeur, d'un sel dont la dissociation ionique fournit la conduction ionique, comme par exempte un sel d'ammonium, et éventuellement d'un additif comme par exemple un combustible si Ie se! est oxydant ou tensioactif.
Le sel peut être chimiquement inerte comme l'iodure de sodium ou réactif comme un nitrate.
Le processus d'allumage a Ueu de la manière suivante : un ou plusieurs jets de liquide issus de l'injecteur constituant une première électrode viennent frapper Ia deuxième électrode située à un potentiel de quelques centaines de volts par rapport au potentiel de Pinjecteur. Cela introduit une densité de courant élevée dans l'électroiyte, conduit à son échauffemeni: rapide, puis éventuellement à Ia formation d'un arc électrique.
Le ou les jets de liquide électrolytique sont situés en aval de l'injecteur de la torche qui produit le mélange de gaz à allumer, lequel mélange de gaz peut comprendre un combustible tel que l'hydrogène ou le méthane et un comburant tel que l'oxygène. L'allumage peut se produire seion une ou plusieurs des manières suivantes :
- par formation de l'arc électrique par claquage dans le flux de vapeur,
~ dans Ia masse du liquide par augmentation de température conduisant à la décomposition spontanée (liquide monergoi), - dans le cas d'un liquide combustible, par inflammation spontanée dans l'oxygène des vapeurs chaudes,
L'invention permet de retrouver l'essentiel des avantages de l'allumage Jaser et en particulier ie fait que la zone d'inflammation peut être située à distance des parois matérielles, sans avoir les inconvénients précités liés aux fragilités et complexités de l'utilisation d'un dispositif de production et d'application d'un faisceau laser.
Selon un mode de réalisation possible, la deuxième électrode est disposée de façon centrale et une pluralité de trous d'injection d'éîectroiyte et les sorties du dispositif d'injection de combustible et du dispositif d'injection de carburant sont disposées autour de cette électrode centrale.
Selon un autre mode de réalisation possible, la deuxième électrode est: disposée de façon latérale et désaxée par rapport au trou d'injection d'éiectroiyte et aux sorties au dispositif d'injection de combustibie et du dispositif d'injection de comburant.
La deuxième électrode peut être réalisée en un métal réfractaire du type tungstène ou tungstène-rhénium.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d'injection de combustible et le dispositif d'injection de carburant comprennent des orifices répartis en couronne autour d'un axe prédéterminé de l'allumeur et plusieurs trous d'injection d'éiectroiyte sont répartis en couronne autour de l'axe prédéterminé en présentant des positions angulaires décalées par rapport aux orifices répartis en couronne.
L'allumeur peut comprendre un dispositif de chauffage électrique et une isolation thermique passive pour maintenir la température de Pinjecteur au-dessus du point de congélation de i'éiectrolyte, Le circuit d'alimentation électrique peut comprendre une source d'alimentation électrique en courant continu, au moins un condensateur et un interrupteur, tel qu'un transistor de puissance ou un thyristor. Dans ce cas, î'injecteur constituant la première électrode présente avantageusement un potentiel proche de la masse électrique. Le condensateur et l'interrupteur peuvent être logés dans un boîtier solidaire du corps de i'aliumeur. Selon une variante de réalisation, le circuit d'alimentation électrique peut comprendre une source d'alimentation en courant continu, au moins υn condensateur, un circuit hacheur et: un transformateur élévateur de tension dont le primaire et le secondaire sont isolés gaivaniquement, dont le primaire est relié au circuit hacheur et dont ie secondaire est connecté entre la deuxième électrode et l'injecteur constituant la première éiectrode.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'isolateur comprend une première partie d'isolateur pouvant se dilater librement et une deuxième partie d'isolateur assurant une étanchéité entre la deuxième éiectrode et un support d'isolateur.
Dans ce cas, la première partie d'isolateur comprend au moins un bioc de céramique réalisé en nitrure de bore ou en alumine.
Selon un mode particulier de réalisation, la deuxième partie d'isolateur peut être réalisée en alumine et est brasée άιur\e part sur !a deuxième électrode et d'autre part sur Ie support d'isolateur.
Seion un autre mode de réalisation, la deuxième partie d'isolateur peut encore être combinée à une embase de câble coaxiai recevant un connecteur de câble coaxiai. Selon une variante de réalisation, la deuxième partie d'Isolateur est réalisée en un matériau souple comprenant l'un des matériaux suivants : le PTFE, Ie PTFCE, le VESPEL, Ie PTFE chargé de fibres de verre, et Ia deuxième partie d'isolateur est montée dans un presse-étoupe monté sur le support d'isolateur.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une tête d'allumeur éîectrolytique avec anode centrale seion un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue de face de la tête d'allumeur électrolytique selon la revendication 1, - Ia figure 3 est une vue schématique du circuit électrique d'un propulseur à plasma connu à amorçage électrolytique, ~ la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un exemple de chambre de prédécharge dans un propulseur éiectrothermique selon l'art antérieur,
- la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'une tête d'allumeur éïectroiytique avec anode latérale décentrée, selon un deuxième mode de réalisation de πnventlon,
- la figure 6 est une vue schématique en coupe axiale montrant l'intégration de la tête d'allumeur de la figure 5 dans une torche et: un injecteur principal, - la figure 7 est une vue de face d'une tête d'aiiumεur électroiyϋque montrant une variante de réalisation de la figure 2,
- la figure 8 est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation d'une tête d'allumeur électrolytique selon l'invention avec un isolateur en deux parties, - la figure 9 est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation d'une tête d'allumeur éiectroiytique selon l'invention avec un isolateur associé à un presse-étoupe,
- la figure 10 est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation d'une tête d'allumeur électrolytique selon l'invention avec une sortie hermétique coudée,
- la figure il est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation d'une tête d'allumeur électrolytique avec circuit électrique de puissance incorporé, et
- la figure 12 est une vue schématique ô'une tête d'allumeur électrolytique selon l'invention avec un circuit d'alimentation électrique incorporant un transformateur élévateur de tension.
Description détailiée de modes oarticuiiers de réalisation de l'invention
Si l'on se reporte à la figure 1, on voit un premier exemple d'allumeur électrolytique selon l'invention conçu pour être incorporé à une torche associée à un injecteur principal destiné à être monté sur une chambre de combustion de moteur-fusée à ergols liquides.
L'allumeur électrolytique comprend un Injecteυr qui, dans l'exemple considéré, présente un potentiel proche de ia masse électrique et constitue une cathode. L'injεcteur 2 comprend de façon dassique un dispositif 26 d'injection de combustible et un dispositif 27 d'injection de comburant.
Comme on peut ie voir sur la figure 2, le dispositif 26 d'injection de combustible et Ie dispositif 27 d'injection de comburant comprennent respectivement un canai de distribution 2δa, 27a et des orifices de distribution 26b, 27b répartis en couronne autour de l'axe central XX! de l'allumeur.
L'injecteur 2. comprend en outre un dispositif d'injection d'électroîyte avec un canal 3 de distribution d'êlectroiyte associé à une pluralité de trous i d'injection qui permettent la projection de jets libres vers une électrode centrale 5 qui est isolée électriquement au corps de Tinjecteur 2 par un isolateur 4,
L'électrode centrale 5 qui, dans l'exemple considéré, forme une anode, s'étend axiaiement vers l'aval au-delà de l'injecteur 2. Le distributeur 3 d'éîectroiyte est alimenté à travers une éiectrovanne 11 à partir du réservoir 12 contenant un électroiyte 13 qui est avantageusement constitué par un produit différent ou combustible appliqué par le dispositif 26 d'injection de combustible et ou comburant appliqué par Ie dispositif 27 d'injection de comburant. Dans Ie mode de réalisation des figures 1 et 2, les ixous 1 d'injection d'éiectroiyte sont répartis en couronne autour de l'axe XX' en présentant des positions angulaires décalées par rapport aux orifices répartis en couronne du dispositif 26 d'injection de combustible et ou dispositif 27 d'injection de comburant. Comme on peut Ie voir sur la figure 1, des canaux 32 peuvent être formés dans le corps de i'injecteur 2 entre le canai 3 de distribution d'éiectroiyte et les dispositifs 26 d'injection de combustible et de comburant, afin de constituer une isolation thermique passive et d'assurer ainsi un découplage thermique. Un dispositif de chauffage électrique 16, tel qu'une résistance, peut être avantageusement placé sur i'injecteur 2 au voisinage du canal 3 de distribution d'électroiyte afin de maintenir la température de i'injecteur 2 au-dessus du point- de congélation de i'éiectrolyte au cours de Ia mise au froid du moteur-fusée à ergois cryogéniques. Dans l'exemple de la figure 1, on a représenté schématiquement un circuit d'alimentation électrique avec une source 7 d'alimentation en courant continu à partir d'une barre 10. Le pôle négatif de Ia source d'alimentation 7 est relié au corps de i'injecteυr 2 qui constitue ainsi une cathode. Le pôle positif de la source d'alimentation 7 est relié par l'intermédiaire d'un interrupteur 9 à l'électrode centrale 5 formant anode. Un condensateur 8 est connecté en parallèle à la sortie de la source d'alimentation 7 de manière à permettre l'application d'un potentiel de l'ordre de quelques centaines de volts sur l'électrode 5. La décharge du condensateur 8 permet d'obtenir une puissance instantanée très élevée. L'interrupteur 9 peut être constitué par exemple par un transistor de puissance ou par un thyristor.
L'électrovanne 11 commande l'injection des jets d'électroiyte. Lorsque cette éiectrovanne il est ouverte, les jets d'éîectrolyte issus des trous d'injection 1 mettent en contact l'électrode centrale 5 formant anode et le corps de i'injecteur 2 formant cathode. L'échauffement dû au courant d'électrolyse entraîne la formation d'une décharge électrique qui allume le mélange de gaz 28 issu des dispositifs 26, 27 d'injection de combustible et de comburant et destiné à alimenter la torche qui dans l'exemple représenté est coaxlaîe à I'injecteur 2. Sur la figure 1, la référence 14 désigne les précurseurs de flamme et Ia référence 29 désigne la flamme de la torche.
La figure 2 montre un injecteur 2 avec à titre d'exemple neuf trous 1 d'injection d'éiectrolyte, Le nombre de trous d'injection est choisi en fonction du débit à assurer.
La partie gauche de Ia figure 2 montre i'injecteur avant une séquence d'allumage et la partie droite de cette figure 2 montre l'injecteur en fonctionnement avec des jets d'éiectrolytes.
Il est important de noter que les jets d'éiectroiyte 6 issus des trous d'injection 1 sont situés en aval de finjecteur 2 qui produit le mélange de gaz à allumer et viennent frapper i'éiectrode 5 dans une zone située en dehors du corps de l'injecteur 2.
La densité ou courant élevée dans l'éiectrolyte, réchauffement rapide de cet électrolyte et la formation éventuelle ôxur\ arc électrique se produisent ainsi au sein de la torche en aval de î'éjecteur 2 et: non à l'intérieur de l'éjecteur. Contrairement à des dispositifs de l'art antérieur, l'électrolyse a lieu dans un jet libre et non dans un espace confiné entre ôeux électrodes. L'alimentation électrique sous une tension relativement élevée, de 50 V à .1.000 V ou de préférence de 100 à 500 V, permet de passer à un claquage dans la vapeur après échauffement du liquide. Le niveau de tension électrique reste cependant suffisamment modeste pour- qu'il n'existe pas de problèmes d'isolation éiectrique,
Le liquide électrolytique 13 est constitué d'un solvant pouvant être constitué par de l'eau, de i'aicool ou υt\ liquide ionique à faible tension de vapeur, à'un sei dont la dissociation Ionique fournit la conduction ionique et éventuellement d'un additif (par exemple un combustible si le sel est oxydant ou tensioactif).
A titre d'exemple de liquides électrolytiques selon la présente invention, on peut citer :
- eau et chlorure d'ammonium,
- giycérol, iodure de sodium et additif fluidifiant, - alcool isopropylique et nitrate d'ammonium,
- liquide ionique fluoré à basse tension de vapeur et nitrate d'ammonium,
Le liquide ionique peut par exemple être choisi parmi les produits suivants : di-éthylammonium formate, éthyî-méthyi-imidazoiium tétra-fîuoroborate.
Le liquide éiectrolytique peut être aussi constitué d'un monergol non toxique à base de nitrates qui comprend une solution aqueuse de nitrate (comme par exemple HAN ≈ hydroxyle ammonium nitrate, ADN ≈ ammonium di-nitramine, HNF = hydrazinium nitro-fbrmate) avec addition d'un combustible solubie dans l'eau tel qu'un alcool ou le TEAN (triéthanolammonium nitrate).
L'allumage d'une auto-décomposition d'un monergoi nitrate en solution ionique peut être obtenu par chauffage électrolytique.
Les solutions aqueuses de nitrates présentent une conductibilité ionique "C" importante qui augmente avec \a température T (voir le document : "New nitrogen based monopropeîlants (HAN, AND, HNF), physical chemistry of concentrated ionic aqueous solutions", C
Kappenstein, N Piilet, A Melchior,
Elle atteint 0,05 (Ω.cm)"1 à -i2°C et 70 % de concentration et 0,2 (αcm)"1 à +400C EiIe suit une loi au type : In (C) ≈ 1/(T - To). La disposition à jets iibres 6 selon l'invention présente une résistance élevée et permet de fonctionner à tension élevée, de l'ordre de piusieurs centaines de volts. L'échauffement se produit à l'extérieur de i'injecteur, Si fe jet s'enflamme avant d'atteindre l'électrode centrale 5, ies gaz peuvent se détendre librement dans la chambre de combustion.
Lorsqu'un film de vapeur se produit sur l'électrode centrale 5 (la partie la plus chaude du jet) îe passage du courant est interrompu et Ia totalité de !a tension se retrouve sur le film. Le produit pression x distance étant en dessous au minimum de Paschen, il y a claquage et l'étincelle enflamme le reste du mélange chauffé.
Le chauffage peut entraîner l'évaporation sélective (la distillation) de l'espèce Ia plus volatîie, par exemple un alcool. Les vapeurs d'alcool mélangées à i'air faciliteront l'inflammation.
L'exemple suivant donne un ordre de grandeur des paramètres physiques de la décharge dans le cas d'un injecteur à jets multiples :
Jet élémentaire :
Diamètre 1 mm
Longueur 5 mm
Vitesse 3 m/s Débit masse 3,3 g/s
Tension Vo ≈ 500 V
La température de l'ergoi est à 298 K à Ia sortie de l'injecteur
La puissance initiale dissipée est de 600 W (résistance ≈ 410 Ohm). Au bout de 2 ms, le profil de température du jet commence à se stabiliser, la partie aval du jet atteint 398 K (125°C).
La puissance dissipée atteint 1560 W et la résistance du jet est 160 Ohm.
Pour une tête d'allumeur à 5 orifices, on obtient le bilan suivant :
Puissance initiale ≈ 3 000 W
Puissance à 2 ms ≈ 7 800 W
Débit ≈ 16,5 g/s
A titre de comparaison, la puissance thermique fournie par la décomposition exothermique ûu monergoî au débit de 16,5 g/s est supérieure à 50 kW. La puissance électrique est fournie par !e condensateur 8 capable de stocker au moins le double de l'énergie dissipée dans la décharge.
Le courant d'électrolyse atteint 15,6 Â, ce qui peut être contrôlé par un interrupteur 9 constitué par un transistor de puissance.
Le condensateur 8 est chargé - de préférence à courant constant - par un convertisseur continu/continu 7 élévateur de tension alimenté par la barre 10 (bus) du satellite ou du missile sur lequel est placé le moteur-fusée équipé de l'allumeur électroiytique. L'injection de monergoi est contrôlée par i'éiectrovanne il, la mise sous tension étant simultanée (il n'y aura pas de passage de courant avant 5 à 10 ms, temps de réponse de î'éiectrovanne).
Lorsque l'allumage est obtenu, Ie passage du courant peut être interrompu par fermeture de l'interrupteur 9 constitué par un transistor de puissance ou un thyristor.
L'interruption du courant provoque Ia fermeture de l'électrovanne Ii et donc l'interruption du jet liquide,
 titre de variante, i'énergie peut être stockée dans une batterie d'accumulateurs à décharge rapide. Selon l'invention, l'allumage ayant lieu dans un liquide ii est peu sensible à Ia pression : l'allumeur peut fonctionner aussi bien sous vide (rébuliition ou liquide n'est pas immédiate) que sous pression (de la pression atmosphérique à plusieurs MPa). Ii peut aussi fonctionner en simulation d'altitude (quelques centaines de pascals). Au contraire, les allumeurs à bougie et étincelle électrique peuvent être perturbés par une pression de fonctionnement différente du vide spatiai ou de la pression atmosphérique :
Le fonctionnement en simulation d'altitude ou dans la haute atmosphère peut conduire à des problèmes d'isolation dans l'alimentation et le câblage car la tension de fonctionnement est très élevée (10 à 20 kV).
Le fonctionnement sous forte pression devient difficile : te pouvoir isolant du gaz augmente, compliquant l'allumage.
L'allumeur électrolytique utilise une tension modeste, de l'ordre de 500 V ce qui simplifie les problèmes d'isolations en particulier dans la zone de pression correspondant au fonctionnement de simulation d'altitude.
Le jet peut être positionné de manière à atteindre la zone où la richesse du mélange est le plus susceptible d'entretenir la combustion. De ce point de vue il présente des avantages analogues à l'allumage laser tout en étant pius facile à réaiiser,
Sur la figure 12 on a représenté une variante de réalisation seion laquelle l'électrolyse est conduite en courant alternatif. A partir ά'une source de courant continu telle que la barre 10 au satellite ou au missile sur lequel est placé le moteur-fusée équipé de l'allumeur électroîytique, i'énergie est stockée dans des super condensateurs 8 ou dans une batterie d'accumulateurs qui alimentent un hacheur 91 constitué de transistors de puissance (par exemple des IGBT) capables de contrôler un courant de 100 A ou plus à une fréquence comprise entre 10 et 100 kHz et un transformateur élévateur de tension 92, de préférence à ferrite, dont le secondaire alimente directement l'allumeur éiectrolyfjque, entre la première électrode constituée par le corps de i'injecteur 2 et la deuxième électrode constituée par l'électrode 5,
Le fonctionnement du transformateur 92 et des transistors au circuit 91 étant bref (quelques dizaines de millisecondes), il n'est pas nécessaire de prévoir un refroidissement important.
On a décrit en référence aux figures 1, 2 et 12 un allumeur éiectrolytique comportant une électrode centrale 5.
Selon un autre mode de réalisation possible, illustré sur les figures 5 et 6, la deuxième électrode 105 (formant anode dans le cas d'une alimentation en courant continu) n'est pas placée en position centrale, mais est située de façon latérale et désaxée par rapport à l'axe iongitudinai de l'allumeur et de la torche associée 17. Dans ce cas, le canal 103 de distribution d'éiectrolyte est disposé sur un premier côté de l'allumeur (en haut sur les figures 5 et 6), à l'extérieur des dispositifs 26 et 27 d'injection de combustible et de comburant, tandis que l'électrode 105 est placée dans un évidement 102 formé dans la paroi opposée (en bas sur les figures 5 et 6).
Au moins un trou d'injection 101 est formé à partir du canal de distribution 103 dans le corps de i'injecteur 2 de manière à créer au moins un jet transversai 101 qui vient frapper l'électrode 105 et présente les mêmes propriétés que dans le cas du mode de réalisation précédemment décrit, le circuit: électrique illustré sur la figure 1 ou la figure 12 pouvant être mis en œuvre de la même manière avec le mode de réalisation des figures S et δ et le liquide éiectroîytique étant également choisi parmi tes produits mentionnés plus haut.
Ainsi la dissipation de puissance électrique par conduction ionique dans le jet d'éiectroiyte, par exemple comprise entre 100 et 1000 W par gramme par seconde, provoque une élévation de température suffisante, par exemple de 5000 à 20 00ÔoC/s, pour provoquer le claquage électrique de l'éiectroiyte ou sa décomposition spontanée si l'électroiyte est un mcnergoi, le mélange gazeux 28 issu des dispositifs 26, 27 d'injection de combustible et de comburant (qui dans l'exemple représenté sont de type coaxiai) étant enflammé par le précurseur de flamme ou gaz de combustion 14 dans la torche 17. Sur la figure 6, on voit l'intégration de l'allumeur éiectroîytique dans la torche 17 alimentée en ergols gazeux à partir des dispositifs 26, 27 d'injection de combustible et de comburant, eux-mêmes alimentés par l'intermédiaire d'éiectrovannes 30, 31.
La torche 17 est elle-même incorporée dans Hnjecteur principal 33 au moteur-fusée et située dans l'axe de celui-ci.
La figure 7 montre une variante de réalisation d'un allumeur éiectroîytique selon l'invention avec une électrode centrale 5. Le dispositif 26 d'injection de combustible et le dispositif 27 d'injection de comburant comprennent des séries d'orifices constituant des doublets décaiés angulairement par rapport aux jets de liquide issus des trous d'injection 1 du liquide éiectroîytique, de manière à limiter le soufflage des jets de liquide par les jets de gaz.
Comme dans le cas de la figure 2, la figure 7 montre sur sa moitié gauche Hnjecteur 2 avant une séquence d'allumage et sur sa moitié droite l'injecteur 2 pendant une séquence d'allumage avec les jets d'étectroiyte 6.
Les figures 8 à 11 illustrent des modes particuliers de réalisation de l'isolateur interposé entre l'électrode centrale 5 formant la deuxième électrode et le corps de i'injecteur 2 formant Ia première électrode. Comme dans le cas de la figure 12, pour des raisons de simplification, on n'a pas représenté sur les figures 7 à 11 le dispositif 15 d'injection de torche comprenant le dispositif 26 d'injection de combustible et le dispositif 27 d'injection de comburant.
Sur les figures 8 à 11 on n'a pas non plus représenté ie circuit d'alimentation électrique, qui peut être analogue à ceux décrits en référence aux figures 1 et 12, ni les éléments associés au distributeur 3 de liquide électrolytique tels que i'éiectrovanne 11, ie réservoir 18, la résistance électrique 16 et le découplage thermique 32 illustrés sur la figure 1.
La figure 8 montre un isolateur électrique réalisé en deux parties. La partie aval 41 située en regard de la chambre de combustion est un bloc de céramique monté avec un jeu mécanique de manière à pouvoir se dilater librement. La partie amont 42 assure l'étanchéité. Elle est brasée sur le support d'isolateur 19 et sur réiectrode centrale 5. Le montage permet de solliciter l'isolateur 41, 42 en compression (face à un effet de fond et a la pression de combustion),
La partie aval 41 peut être réalisée en nitrure de bore ou en alumine tandis que la partie amont 42 peut être en alumine.
Sur la figure 8, la référence 20 désigne ur\e connexion électrique. La figure 9 montre un isolateur électrique avec un presse- étoupe,
La partie aval 41 de l'isolateur électrique assure le rôle de paroi coupe-feu et peut être réalisée de façon analogue à la partie aval 41 du mode de réalisation de la figure 8. L'étanchéité et le maintien de l'électrode centrale 5 sont assurés par un presse-étoupe composé d'un isolateur souple 42b situé à proximité de Ia partie aval 41, d'une rondelle 42a de poussée isolante et d'un écrou 23 qui est vissé sur une partie arrière 19a de Pinjecteur 2.
L'isolateur souple 42b peut être réalisé en PTFE, PTFCE ou PTFE chargé de fibres de verre ou en un matériau analogue tel que par exemple ie produit de la société DuPont connu sous la dénomination VESPEl®,
La figure 10 montre un isolateur électrique en plusieurs parties qui vise à présenter un encombrement minimum.
Dans le cas de la figure 10, Ia partie aval de l'isolateur est eile- même divisée en deux ou trois parties 41a, 41b, 41c. La partie amont 42 de l'isolateur est réalisée de façon coudée. Elie peut être montée et maintenue en place par un obturateur métallique 51 vissé ou soudé sur la partie arrière de l'injecteur 2.
Le câbie 24 d'alimentation électrique de l'électrode centraie 5 peut être raccordé à un câbie coaxial 25 par un élément de raccord 53 associé à une embase 52 rapportée sur l'obturateur métallique 5t.
Les modes de réalisation des figures 9 et 10 permettent de minimiser ies interférences électromagnétiques provoquées par le courant de décharge.
La figure 11 montre un exemple d'allumeur électrolytique avec un circuit de puissance incorporé dans un boîtier 50 rapporté sur le corps de l'injecteur 2. L'isolateur électrique peut être réalisé en ûeux parties 41, 42 comme dans ie cas du mode de réalisation de la figure 8.
Le condensateur 8 et ie transistor de puissance 9 formant interrupteur sont incorporés dans Ie bottier 50. La connexion 20 avec l'électrode centrale 5 peut être réalisée sous la forme d'un circuit imprimé supportant ie transistor de puissance 9. Les liaisons électriques sont ainsi réduites à des câbles 24 de faible puissance qui sont légers et peuvent supporter des rayons de courbure faibles. Dans les différents modes de réalisation décrits, l'électrode centraie 5 ou i'électrode déportée 105, peut être réalisée en métal réfractaire du type tungstène ou tungstène/rhénium.

Claims

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1. Torche d'allumage (14) incorporabie dans un injecteur principal (33) de moteur-fusée à ergois liquides, comprenant une chambre de combustion et un allumeur éiectrolytique, lequel allumeur électrolytique comprend une première électrode (2), une deuxième électrode (5) isolée électriquement de la première électrode (2) par ur\ isolateur (4), un injecteur, un réservoir (12) d'éiectroiyte, et un canal (3) de distribution d'électrolyte, caractérisé en ce que l'injecteur constitue la première électrode
(2) et; Indυt un dispositif (26) d'injection de combustible, un dispositif (27) d'injection de comburant et un dispositif (1) d'injection d'éiectroiyte, en ce que la deuxième éiectrode (5) s'étend en aval au-delà de l'injecteur (2), en ce que l'allumeur éiectroiytique comprend un circuit: d'alimentation électrique adapté pour porter la deuxième éiectrode (5) à un potentiel compris entre 50 et 1000 V par rapport au potentiel de la première électrode (2) et en ce que le canal (3) de distribution d'έlectroiyte débouche par au moins un trou d'injection (l) situé au voisinage de la sortie du dispositif (26) d'injection de combustible et du dispositif (27) d'injection de comburant de telle manière que l'électrolyte injecté par ledit trou d'injection (1) constitue un jet libre venant frapper la deuxième électrode (5) dans une zone située en dehors du corps de i'injecteur constitué par la première électrode (2), de sorte que l'éiectrolysε et l'inflammation d'un mélange gazeux ont lieu en aval de l'injecteur dans la chambre de combustion de la torche (17).
2. Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième électrode (5) est disposée de façon centrale et en ce qu'une pluralité de trous (1) d'injection d'éiectroîyte et les sorties au dispositif (26) d'injection de combustible et du dispositif (27) d'injection de comburant sont disposés autour de l'électrode centrale (5).
3. Torche selon Ia revendication 1, caractérisée en ce que Ia deuxième électrode (105) est disposée de façon latérale et désaxée par rapport au trou (101) d'injection d'éiectroiyte et aux sorties du dispositif (26) d'injection de combustibîe et du dispositif (27) d'injection de comburant,
4. Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième électrode (5 ; 105) est réalisée en métal réfractaire du type tungstène ou tungstène/rhénium.
5« Torche seion l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que i'éiectrolyte présent dans le réservoir (12) est constitué par un produit différent au combustible appliqué par le dispositif
(26) d'injection de combustible et du comburant appliqué par le dispositif
(27) d'injection de comburant,
6« Torche selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce que Péîectrolyte est constitué d'une solution aqueuse d'un sel tel qu'un sel d'ammonium.
7< Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'électroiyte comprend un liquide ionique à basse tension de vapeur.
8. Torche selon la revendication 7, caractérisée en ce que Ie liquide Ionique est constitué de i'un des composés suivants : di- éthylammonium formate, éthyl-méthyi-imidazoiium tétra-fluoroborate.
9. Torche selon i'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que i'électrolyte comprend un monergo! à base de nitrates en solution aqueuse avec addition d'un combustibîe soluble dans l'eau.
10. Torche seion l'une quelconque des revendications i ei: 2, caractérisée en ce que le dispositif (26) d'injection de combustible et ie dispositif (27) d'injection de comburant comprennent des orifices répartis en couronne autour ά'un axe prédéterminé de l'allumeur et en ce que plusieurs trous (1) d'injection d'électroîyte sont répartis en couronne autour dudit axe prédéterminé en présentant des positions angulaires décaiées par rapport aux dits orifices répartis en couronne,
11. Torche selon l'une quelconque des revendications î à 10, caractérisée en ce qu'il comprend un dispositif de chauffage électrique
(.1.6) et une Isolation thermique passive (32) pour maintenir la température de l'injecteur (2) au-dessus du point de congélation de i'éiectroiyte.
12. Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ie circuit d'alimentation électrique comprend une source d'alimentation en courant continu (10, 7), au moins un condensateur (8) et un interrupteur (9) et en ce que l'injecteur (2) constituant la première électrode présente un potentiel proche de la masse électrique.
13. Torche selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'interrupteur (9) comprend un transistor de puissance ou un thyristor.
14. Torche selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisée en ce que ie condensateur (8) et l'interrupteur (9) sont logés dans un boîtier (50) solidaire du corps de l'allumeur.
15. Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à Ii, caractérisée en ce que Ie circuit d'alimentation électrique comprend une source d'alimentation en courant continu (10), au moins un condensateur (8), un circuit hacheur (91) et un transformateur (92) élévateur de tension, dont Ie primaire et le secondaire sont isolés gaivaniquement, dont Ie primaire est relié au circuit hacheur (91) et dont Ie secondaire est connecté entre la deuxième électrode (5) et l'injecteur (2) constituant la première électrode.
16. Torche selon Tune quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que l'isolateur (4) comprend une première partie d'isolateur (41) pouvant se dilater librement et une deuxième partie d'isolateur (42) assurant une étanchéité entre la deuxième électrode (5) et un support d'isolateur (19),
17. Torche selon la revendication .1.6, caractérisée en ce que la première partie d'isolateur (41) comprend au moins un bloc de céramique réalisé en nitrure de bore oυ en alumine.
18. Torche selon Ia revendication 16 ou la revendication 17, caractérisée en ce que la deuxième partie d'isolateur (42) est réalisée en alumine et est brasêe d'une part sur la deuxième électrode (5) et d'autre part sur le support d'isolateur (19).
19 Torche selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisée en ce que la deuxième partie d'isolateur (42) est réaiisée en un matériau soυpie comprenant i'un des matériaux suivants : le PTFE, le PTFCE, le VESPEL, le PTFE chargé de fibres de verre, et en ce que Ia deuxième partie d'isolateur (42) est montée dans un presse-étoupe (23) monté sur le support d'isolateur (19a).
20. Torche selon !a revendication 16 ou la revendication 17, caractérisée en ce que la deuxième partie d'isolateur (42) est combinée à une embase (52) de câble coaxiai recevant un connecteur (25) de câble coaxial (24).
21. Torche selon Pune quelconque des revendications l à 20, caractérisée en ce que le circuit d'alimentation électrique est adapté pour porter la deuxième électrode (5) à un potentiel compris entre 100 et 500 V par rapport au potentiel de la première électrode constituée par i'injecteur.
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